基于单片机的冰箱温度智能控制系统的设计.doc
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1、基于单片机冰箱温度智能控制系统设计摘要:近年来随着计算机在社会领域渗透, 单片机应用正在不断地走向深入,同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测与自动控制单片机应用系统中,单片机往往是作为一个核心部件来使用,仅单片机方面知识是不够,还应根据具体硬件结构,以及针对具体应用对象特点软件结合,以作完善。 电冰箱温度控制系统是利用温度传感器DS18B20采集电冰箱冷藏室与冷冻室温度,通过INTEL公司高效微控制器MCS-C51单片机进行数字信号处理,从而达到智能控制目。本系统可实现电冰箱冷藏室与冷冻室温度设置、电冰箱自动除霜、开门报警等功能。 本文在第一章介绍了电冰箱系统组成及工作原理,第二章论述
2、了本控制系统硬件设计部分。第三章论述了系统软件设计部分。 通过对直冷式电冰箱制冷系统改进与采用模糊控制技术,实现了电冰箱双温双控,使电冰箱能根据使用条件变化迅速合理地调节制冷量,且节能效果良好。目 录第一章概论4一电冰箱系统组成4二工作原理:6三本系统采用单片机控制电冰箱主要功能及要求:6第二章硬件部分7一系统结构图7二微处理器(单片机)7三温度传感器12四电压检测装置16五功能按键16六压缩机,风机、电磁阀控制17七故障报警电路17第三章软件部分18一、主程序:MAIN18二、初始化子程序:INTI122三、键盘扫描子程序:KEY23四打开压缩机子程序:OPEN26五关闭压缩机:CLOSE2
3、7六定时器0中断程序:用于压缩机延时28七延时子程序29第四章分析及结论30致 谢31参考文献:32电冰箱温度测控系统设计第一章 概论随着集成电路技术发展,单片微型计算机功能也不断增强,许多高性能新型机种不断涌现出来。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低与开发周期短等优点,称为自动化与各个测控领域中广泛应用器件,在工业生产中称为必不可少器件,尤其在日常生活中发挥作用也越来越大。人们对家用电冰箱控制功能越来越高,这对电冰箱控制器提出了更高要求。多功能,智能化是其发展方向之一,传统机器控制,简单电子控制已经难以满足发展要求。而采用基于单片机温度控制系统,不仅可大大缩短设计新产品时间,同时只要
4、增加少许外围器件在软件设计方面就能实现功能扩展,以及智能化方面提高,因此可最大限度地节约成本。本文即为基于单片机电冰箱温度控制系统。目前市场销售双门直冷式电冰箱,含有冷冻室与冷藏室,冷冻室通常用于冷冻温度为-6-18;冷藏室用于在相对冷冻室较高温度下存放食品,要求有一定保鲜作用,不能冻伤食品,室温一般为010.传统电冰箱温度一般是由冷藏室控制,冷藏室、冷冻室不同温度是通过调节蒸发器在两室面积大小来实现,温度调节完全依靠压缩机开停来控制.但是冰箱内温度受诸多因素影响,如放入冰箱物品初始温度高低、存放品散热特性及热容量、物品在冰箱充满率、环境温度高低、开门频繁程度等.因此对这种受控参数及随机因素很
5、多温度控制,既难以建立一个标准数学模型,也无法用传统PID调节来实现.一台品质优良电冰箱应该具有较高温度控制精度,同时又有最优节能效果,而为了达到这一设计要求采用模糊控制技术无疑是最佳选择. 一电冰箱系统组成 液体由液态变为气态时,会吸收很多热量,简称为“液体汽化吸热”,电冰箱就是利用了液体汽化过程中需要吸热原理来制冷。 蒸气压缩式电冰箱制冷系统原理图如图1-1所示,主要由压缩机、冷凝器、干燥过滤器、毛细管、蒸发器等部件组成,其动力均来自压缩机,干燥过滤器用来过滤赃物与干燥水分,毛细管用来节流降压,热交换器为冷凝器与蒸发器。制冷压缩机吸入来自蒸发器低温低压气体制冷剂,经压缩后成为高温高压过热蒸
6、气,排入冷凝器中,向周围空气散热成为高压过冷液体,高压过冷液体经干燥过滤器流入毛细管节流降压,成为低温低压液体状态,进入蒸发器中汽化,吸收周围被冷却物品热量,使温度降低到所需值,汽化后气体制冷剂又被压缩机吸入,至此,完成一个循环。压缩机冷循环周而复始运行,保证了制冷过程连续性。 图1-1 电冰箱制冷系统原理图 直冷式电冰箱控制原理是根据蒸发器温度控制制冷压缩机启、停,使冰箱内温度保持在设定温度范围内。冷冻室用于冷冻食品通常用于冷冻温度为3C15C,冷藏室用于相对于冷冻室较高温度下存放食品,要求有一定保鲜作用,不能冻伤食品,温度一般为0C10C,当测得冷冷冻室温度高至3C 0C时或者是冷冻室温度
7、高至10C13C是启动压缩机制冷,当冷冻室温度低于15C18C或都冷藏室温度低于0C3C时停止制冷,关断压缩机。采用单片机控制,可以使控制更为准确、灵活。二工作原理:根据冷藏室与冷冻室温度情况决定是否开压缩机,若冷藏室温度过高,则打开电磁冷门V1,关闭阀门V2,V3,同时打开压缩机,产生高温高压过热蒸气,经过冷凝器冷凝,干燥过滤器干燥,毛细节流管降压后,在蒸发器汽化制冷,产生低温低压干燥气体。经过电磁阀门V1 流入冷藏室,使冷藏温度迅速降低,当温度达到要求时关闭压缩机,同时关闭电磁阀门V1 。若是冷冻室温度过高,则应打开V2关闭V1, V3 。电磁阀门V3主要用于冷冻室化霜。需要化箱时打开V3
8、,从压缩机流出高温高压气体流经冷冻室可匀速将冷冻室霜层汽化。达到化霜效果。一般化霜时间要短,不然会伤存放食品。三本系统采用单片机控制电冰箱主要功能及要求:1、设定2个测温点,测量范围:26C26C,精度C;2、利用功能键分别控制温度设定、冷藏室及冷冻室温度设定等;3、制冷压缩机停机后自动延时3分钟后方能再启动;4、电冰箱具有自动除霜功能;5、开门延时超过20秒发声报警;6、工作电压为180240V,当欠压或过压时,禁止启动压缩机并用指示灯显示。 第二章硬件部分 一系统结构图控制系统结构如图2-1 所示,主要由电源开关,电压检测装置,温度传感器,功能按键,单片机,延时电路,显示电路,指示灯电路,
9、除霜装置与故障报警装置等够成。图2-1 控制系统结构图二微处理器(单片机)微处理器是本系统核心,其性能好坏直接影响系统稳定,鉴于本系统为实时控制系统,系统运行时需要进行大量运算,所以单片机采用INTEL公司高效微控制器AT89C51。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory)低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,及工业标准MCS-51 ? 指令集与输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU与闪烁存储器组合在单个芯
10、片中,ATMELAT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉方案。 1主要特性:及MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命:1000写/擦循环数据保留时间:10年全静态工作:0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗闲置与掉电模式片内振荡器与时钟电路 2管脚说明VCC:供电电压。GND:接地。P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址第
11、八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉缘故。在FLASH编程与校验时,P1口作为第八位地址接收。P2口:P2口为一个内部上拉电阻8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉缘故。P2口当
12、用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器内容。P2口在FLASH编程与校验时接收高八位地址信号与控制信号。P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉缘故。P3口也可作为AT89C51一些特殊功能口,如下表所示:口管脚 备选功能P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.
13、2 /INT0(外部中断0)P3.3 /INT1(外部中断1)P3.4 T0(记时器0外部输入)P3.5 T1(记时器1外部输入)P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)P3口同时为闪烁编程与编程校验接收一些控制信号。RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期高电平时间。ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许输出电平用于锁存地址地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率1/6。因此它可用作对外部输出脉冲或用于定时目。然而要注意是:每当用作外部数
14、据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。/PSEN:外部程序存储器选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效/PSEN信号将不出现。3振荡特性 /EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。在FLA
15、SH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)XTAL1:反向振荡放大器输入及内部时钟工作电路输入。XTAL2:来自反向振荡器输出。 4芯片擦除:整个PEROM阵列与三个锁定位电擦除可通过正确控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率条件下静态逻辑,支持两种软件可选掉电模式。在闲置模式下,CPU停止工作。但RAM,定时器,计数器,串口与中断系统仍在工作。在掉电模式下,保存RAM内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件
16、复位为止。 5运算器 (1)算术逻辑部件ALU:用以完成+、-、*、/ 算术运算及布尔代数逻辑运算,并通过运算结果影响程序状态寄存器PSW某些位,从而为判断、转移、十进制修正与出错等提供依据。(2)累加器A:在算术逻辑运算中存放一个操作数或结果,在及外部存储器与I/O接口打交道时,进行数据传送都要经过A来完成。(3)寄存器B:在 *、/ 运算中要使用寄存器B 。乘法时,B用来存放乘数以及积高字节;除法时,B用来存放除数及余数。不作乘除时,B可作通用寄存器使用。(4)程序状态标志寄存器PSW:用来存放当前指令执行后操作结果某些特征,以便为下一条指令执行提供依据。6.中断系统:8051单片机中断系
17、统简单实用,其基本特点是:有5个固定可屏蔽中断源,3个在片内,2个在片外,它们在程序存储器中各有固定中断入口地址,由此进入中断服务程序;5个中断源有两级中断优先级,可形成中断嵌套;2个特殊功能寄存器用于中断控制与条件设置编程。5个中断源符号、名称及产生条件如下:INT0:外部中断0,由P32端口线引入,低电平或下跳沿引起。INT1:外部中断1,由P33端口线引入,低电平或下跳沿引起。T0:定时器计数器0中断,由T0计满回零引起。T1:定时器计数器l中断,由T1计满回零引起。TIRI:串行IO中断,串行端口完成一帧字符发送接收后引起。 三温度传感器 在传统模拟信号远距离温度测量系统中,需要很好解
18、决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题与放大电路零点漂移误差问题等技术问题,才能够达到较高测量精度。我们在为冰箱测温系统中以上,取得了良好测温效果。 DS1820简介DS1820是美国DALLAS半导体公司生产可组网数字式温度传感器,在其内部使用了在板(ON-B0ARD)专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管集成电路内。及其它温度传感器相比,DS1820具有以下特性。(1)独特单线接口方式,DS1820在及微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器及DS1820双向通讯。2)DS1820支持多点组网功能,多个DS1820可以并联在唯一三线上,实现多点测温。(3)DS1820在
19、使用中不需要任何外围元件。4)温范围55125。(5)测量结果以9位数字量方式串行传送DS1820内部结构框图如图1所示。DS1820测温原理如图2所示。图中低温度系数晶振振荡频率受温度影响很小,用于产生固定频率脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变,所产生信号作为计数器2脉冲输入。计数器1与温度寄存器被预置在55所对应一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生脉冲信号进行减法计数,当计数器1预置值减到0时,温度寄存器值将加1 ,计数器1预置将重新被装入,计数器1重新开始对低温度系数晶振产生脉冲信号进行计数,如此循环直到计数器2计数到0时,停止温度寄存器值累加,此时温度寄
20、存器中数值即为所测温度。图2中斜率累加器用于补偿与修正测温过程中非线性,其输出用于修正计数器1预置值。对应9位数据格式如下:2提高DS1820测温精度途径为进位界限关系,实际温度T实际可用下式计算得到:)+(M每度M剩余)/M每度2.2 测量数据比较表2为采用直接读取测温结果方法与采用计算方法得到测温数据比较,通过比较可以看出,计算方法在DS1820测温中不仅是可行,也可以大大提高DS1820测温分辨率。DS1820使用中注意事项DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点,但在实际应用中也应注意以下几方面问题:(1)较小硬件开销需要相对复杂软件进行补偿,由于DS1
21、820及微处理器间采用串行数据传送,因此,在对DS1820进行读写编程时,必须严格保证读写时序,否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时,对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。(2)在DS1820有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题,容易使人误认为可以挂任意多个DS1820,在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820超过8个时,就需要解决微处理器总线驱动问题,这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。(3)连接DS1820总线电缆是有长度限制。试验中,当采用普通信号电缆传输长度超过50m时,读取测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带
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